FUNDAÇÃO DE EDUCAÇÃO PARA O TRABALHO DE MINAS GERAIS

Unidade de Vespasiano

TÉCNICO EM MECATRÔNICA

APOSTILA DE ELEMENTOS DE ROBÓTICA

Professor: Walter Giovanni

Vespasiano/MG

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO .......................................................................................................................................... 3

2. IMPLICAÇÕES SOCIAIS .......................................................................................................................... 4

3. CUSTOS ................................................................................................................................................... 4

4. AUTOMAÇÃO ........................................................................................................................................... 4

5. FUNDAMENTOS DA TECNOLOGIA DE ROBÔS ................................................................................... 8

6. BIBLIOGRAFIA ....................................................................................................................................... 36

7. PRÁTICAS .............................................................................................................................................. 37

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1. INTRODUÇÃO

Há séculos que o homem se tornou fascinado pelas máquinas e dispositivos capazes

de imitar suas funções e movimentos. Muitos dispositivos mecânicos eram destinados

à diversão e facilidades no decorrer do dia a dia; Leonardo da Vinci (1452–1519)

desenvolveu vários projetos mecânicos.

A palavra ROBÔ foi utilizada a primeira vez em 1921 pelo escrito checo Karel Capek

(1890–1938), onde estreou sua obra no Teatro de Praga chamada Rossum’s Universal

Robot (R.U.R), com o significado de “ trabalho realizado de maneira forçada”.

Em pouco tempo a robótica deixo de ser um mito, presente nas telas de cinema, para

fazer parte de nossa realidade, estando presente em quase todos os processos

industrializados e começando aos poucos a fazer parte do dia a dia em nossa

residência.

O crescimento da robótica possibilitou a formação de novos profissionais, assim como

a fazer parte do currículo de disciplinas para seu desenvolvimento, operação,

programação e manutenção em cursos técnico e superior.

Constituída por elementos como informática, mecânica, eletrônica, elétrica entre

outros, um profissional com tal habilidade possui uma visão de cada elemento que a

constitui, um termo hoje na qual também é chamado Mecatrônica.

Esta disciplina busca relatar os passos básicos para que o estudante conheça os

elementos que compõe a robótica, e na sua prática, os princípios iniciais poderão ser

compreendidos e colocados a instigar novas soluções e melhorias.

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2. IMPLICAÇÕES SOCIAIS

Com a automação foi observado o decréscimo do nível de emprego nas atividades

industriais. Em curto prazo, a automação levanta problemas como o desemprego,

necessária reconversão e treinamento pessoal, consequências da redução de horas

de trabalho, questões de aumento de salários em atividades de maior produtividade.

O robô tem claramente algumas vantagens sobre os humanos:

• Não se cansa;

• Não necessita de salário;

• Pode manter uma qualidade uniforme na produção;

• Não necessita de condições ambientais especiais

Em compensação, o robô tem: aprendizado, memória e movimentos limitados se

comparado a um homem.

3. CUSTOS O maior fator que impede a adoção em massa de robôs nas indústrias é seu alto

custo. O tempo que leva para se recuperar o investimento em um robô depende dos

custos de compra, instalação e manutenção. Este tempo não é fixo, depende da

fábrica onde o robô será instalado e de sua aplicação. Devem-se considerar as

seguintes condições:

• Número de empregados substituídos pelo robô;

• Número de turnos por dia;

• Custo de projeto e manutenção;

• Custo dos equipamentos periféricos.

O preço de um robô é determinado por seu tamanho; sofisticação ou grau de

complexidade; exatidão; confiabilidade.

4. AUTOMAÇÃO

Automação é uma tecnologia que faz uso de sistemas mecânicos, elétricos,

eletrônicos e de computação para efetuar controle de processos produtivos. Alguns

exemplos de processos de automação nas indústrias são:

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• Linhas de montagem automotiva

• Integração de motores – linha “transfer”

• Maquinas operatrizes do tipo CNC

• Robôs

Podem-se identificar três formas distintas de automação industrial:

• Automação fixa

• Automação flexível

• Automação programável

Automação fixa

Na automação fixa as máquinas são específicas para o produto a ser produzido. Elas

produzem grande quantidade um único produto, ou produtos com pequenas variações

entre eles. O volume de produção é elevado, e o custo da máquina é elevado, pois é

projetada para um produto especifico. Por outro lado, como o volume de produção é

alto, o custo do produto em geral é baixo.

Tais máquinas são encontradas em linhas transfer de motores, produção de

lâmpadas, fabricação de papel e de garrafas. Neste tipo de automação, deve-se ter

cuidado com o preço final do produto, pois, como o investimento de aquisição da

máquina é alto, a amortização só acontece com vendas elevadas. Além disso, se o

produto sair do mercado por obsolescência perde-se o investimento.

Figura 1 - A linha transfer é um sistema flexível, modular e robusto que se adapta a uma ampla gama de produtos.

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Figura 2 – Automação fixa / rígida

Automação flexível

Na automação flexível o volume de produção é médio e geralmente a máquina pode

ser programada para produzir outro produto, ainda que semelhante. Esta automação

possui características da automação fixa e da programável. A máquina deve ser

adaptável a um número grande de produtos similares, e, neste sentido, ela é mais

flexível que a automação fixa. A automação flexível é empregada, por exemplo, numa

linha de montagem automotiva.

Figura 3 – Automação flexível

Automação programável

Na automação programável o volume de produção é baixo, mas a variedade de

produtos diferentes é alta. Ela é adaptável por meio de programação. Os principais

exemplos de automação programável são as máquinas CNC e os robôs industriais.

De todos os processos de automação, a robótica mais se aproxima da automação

programável. Portanto, os volumes de produção de um robô industrial não são

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grandes, mas ele é extremamente adaptável a produtos diferentes. Embora robôs

industriais sejam produzidos em diversas configurações, algumas delas se

assemelham, até certo ponto, as características humanas (antropomórficas), e,

portanto, são propícias para substituir operações realizadas por humanos. Os robôs

são totalmente programáveis, possuem braços moveis, estão empregados em várias

atividades, entre as quais se destacam:

• Carregamento e descarregamento de máquinas

• Soldagem a ponto ou outra forma

• Pintura ou jateamento

• Processo de conformação ou usinagem

Figura 3 – Automação programável

Embora haja uma tendência de dotar os robôs industriais de mais habilidade humana,

ainda assim eles não possuem forma humana.

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Figura 4 – Tipos de Automação

5. FUNDAMENTOS DA TECNOLOGIA DE ROBÔS

A robótica abrange tecnologia de mecânica, eletrônica e computação. Além disso,

participam em menor grau teoria de controle, microeletrônica, inteligência artificial,

fatores humanos e teoria de produção.

A robótica esta passando por uma grande ampliação em seu campo de atuação. Boa

parte das definições do robô se refere a robôs industriais e de produção, onde possui

uma gama de funcionalidade.

Um Robô industrial pode ser definido de duas formas, uma japonesa e outra euro-

americano. Para os japoneses um robô industrial é qualquer dispositivo dotado de

articulações móveis destinados à manipulação, já a euro-americano é exigido uma

maior complexidade em termos de controle. A definição atualmente aceita é dada pela

Associação das Indústrias Robóticas (RIA), sendo:

Um robô industrial é um manipulador multifuncional reprogramável capaz de mover

materiais, peças, ferramentas ou dispositivos especiais, seguindo trajetórias variadas e

programadas para realizar diversas tarefas, já a Associação Francesa de

Normalização (AFNOR) define os seguintes termos:

• Manipulador: mecanismos formados por elementos em série, articulados entre

si, destinado a agarrar e soltar objetos.

• Robô: Manipulador automático servo-controlado, reprogramável, polivalente,

capaz de posicionar e orientar peças. Normalmente tem a forma de um braço,

podendo se adaptar a diversos ambientes.

As máquinas robóticas podem ser classificadas segundo critérios distintos. Por

exemplo, podem ser agrupadas quanto à aplicação, quanto à cadeia cinemática,

quanto ao tipo de atuadores, quanto à anatomia, etc. Sequer o termo robô possui um

significado único. Pode tanto representar um veículo autônomo quanto um humanoide

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ou um simples braço com movimentos. O grau de interatividade com agentes externos

permite classificá-los em totalmente autônomos, programáveis, sequenciais ou ainda

inteligentes. De certa forma, dada à quantidade de aplicações que surgem a cada

momento, é praticamente impossível haver uma única forma de classificação.

Podemos definir sem distinção os termos:

• Robô

• Braço mecânico

• Mecanismo robótico

• Manipulador

• Manipulador mecânico

• Manipulador robótico

Figura 5 – Tipos de robôs

Para compreender melhor a tecnologia robótica alguns fatores que caracterizam os

manipuladores e que são, em grande parte, responsáveis por tornar uma determinada

configuração de braço mais adequada a uma dada automação. Entre estas

características citam-se:

• Anatomia

• Volume de trabalho

• Sistemas de acionamentos

• Sistema de controle

• Desempenho e precisão

• Órgãos terminais

• Sensores

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• Programação

5.1. ANATOMIA DOS BRAÇOS MECÂNICOS INDUSTRIAIS

O braço robótico (Groover, 1988) é composto pelo braço e pulso. O braço consiste de

elementos denominados elos unidos por juntas de movimento relativo, onde são

acoplados os acionadores para realizarem estes movimentos individualmente, dotados

de capacidade sensorial, e instruídos por um sistema de controle. O braço é fixado à

base por um lado e ao punho pelo outro. O punho consiste de várias juntas próximas

entre si, que permitem a orientação do órgão terminal nas posições que correspondem

à tarefa a ser realizada. Na extremidade do punho existe um órgão terminal (mão ou

ferramenta) destinada a realizar a tarefa exigida pela aplicação. Nos braços reais, a

identificação dos elos/vínculos e juntas nem sempre é fácil, em virtude da estrutura e

de peças que cobrem as juntas para protegê-las no ambiente de trabalho.

Figura 6 – Vínculos e juntas

Todo robô possui uma base fixa e o primeiro vínculo está preso a esta base. A mobilidade dos

robôs depende do número de vínculos e articulações que o mesmo possui.

Figura 7 – Mobilidade dos braços robóticos

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Juntas Deslizantes

Este tipo de junta permite o movimento linear entre dois vínculos. É composto de dois vínculos

alinhados um dentro do outro, onde um vínculo interno escorrega pelo externo, dando origem

ao movimento linear.

Figura 8 – Juntas deslizantes

Junta de rotação

Esta conexão permite movimentos de rotação entre dois vínculos. Os dois vínculos são unidos

por uma dobradiça comum, com uma parte podendo se mover num movimento cadenciado em

relação à outra parte. As juntas de rotação são utilizadas em muitas ferramentas e dispositivos,

tal como tesouras, limpadores de para-brisa e quebra-nozes.

Figura 9 – Junta de rotação

Bola de Encaixe

Esta conexão se comporta como uma combinação de três juntas de rotação, permitindo

movimentos de rotação em torno dos três eixos. Estas juntas são usadas em um pequeno

número de robôs, devido à dificuldade de ativação. De qualquer maneira, para se ter a

performance de uma junta bola e encaixe, muitos robôs incluem três juntas rotacionais

separadas, cujos eixos de movimentação se cruzam em um ponto.

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Figura 10 – Bola de Encaixe

Figura 11 – Braço completo

As juntas (Fu, 1987) podem ser rotativa, prismática, cilíndrica, esférica, parafuso e

planar. Suas funcionalidades são descritas a seguir:

• A junta prismática ou linear: Move em linha reta. São compostas de duas

hastes que deslizam entre si;

• A junta rotacional: Gira em torno de uma linha imaginária estacionária chamada

de eixo de rotação. Ela gira como uma cadeira giratória e abrem e fecham

como uma dobradiça;

• A junta esférica: Funciona com a combinação de três juntas de rotação,

realizando a rotação em torno de três eixos;

• A junta cilíndrica: É composta por duas juntas, uma rotacional e uma

prismática;

• A junta planar: É composta por duas juntas prismáticas, realiza movimentos em

duas direções;

• A junta parafuso: É constituída de um parafuso que contém uma porca ao qual

executa um movimento semelhante ao da junta prismática, porém, com

movimento no eixo central (movimento do parafuso).

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Figura 12 – Tipos de Junta

A avaliação dos tipos de articulações e seu arranjo permitem ao projetista estimar a

área de atuação do robô, rigidez mecânica e facilidade de controle do braço,

possibilitando qual tarefa serão mais apropriadas para cada tipo de robô. O

movimento das articulações capacita o robô a mover seu atuador para qualquer

ponto na sua área de atuação, mas não habilitando o controle da orientação do

atuador no espaço; cuja importância não se restringe somente ao alcance da peça,

mas também em conduzir o atuador a certa altitude em relação à peça. Essa tarefa

pode ser realizada adicionando-se articulações para o pulso do braço, dando um

maior grau de liberdade. A partir disso, o robô fica habilitado a realizar os seguintes

movimentos:

• Roll ou rolamento-rotação do punho em torno do braço

• Pitch ou arfagem-rotação do punho para cima ou para baixo

• Yaw ou guinada-rotação do punho para a esquerda e para a direita.

Figura 13 – Tipos de movimentos

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Classificação pelo tipo de articulação

É usual classificar os robôs de acordo com o tipo de junta, ou mais exatamente, pelas

3 juntas mais próximas da base do robô. Esta divisão em classes fornece

informações sobre características dos robôs em várias categorias importantes:

• Espaço de trabalho.

• Grau de rigidez.

• Extensão de controle sobre o curso do movimento.

• Aplicações adequadas ou inadequadas para cada tipo de robô.

Robôs industriais utilizam em geral apenas juntas rotativas e prismáticas. A junta

planar pode ser considerado como uma junção de duas juntas prismáticas L, e,

portanto, é também utilizada. As juntas rotativas podem ainda ser classificadas de

acordo com as direções dos elos de entrada e de saída em relação ao eixo de rotação.

Têm-se assim as seguintes juntas rotativas:

• Rotativa de torção ou torcional T: Os elos de entrada e de saída têm a mesma

direção do eixo de rotação da junta.

• Rotativa rotacional R: Os elos de entrada e de saída são perpendiculares ao

eixo de rotação da junta.

• Rotativa revolvente V: O elo de entrada possui a mesma direção do eixo de

rotação, mas o elo de saída é perpendicular a este.

Figura 14 – Tipos de juntas rotativas ( Prismatic ou Linear L / Torcional T / Rotacional

R / Revolvente V )

O número de articulações em um braço do robô é também referenciado como grau de

liberdade (GDL). Quando o movimento relativo ocorre em um único eixo, a articulação

tem um grau de liberdade. Quando o movimento é por mais de um eixo, a articulação

tem dois graus de liberdade. A maioria dos robôs tem entre 4 a 6 graus de liberdade.

Já o homem, do ombro até o pulso, tem 7 graus de liberdade.

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Figura 14 – Grau de liberdade (GDL)

Robô cartesiano

O robô de coordenadas cartesianas usa três juntas lineares L (P - Prismatic). É o robô

de configuração mais simples e deslocam as três juntas uma em relação à outra. Este

robô opera dentro de um envoltório de trabalho cúbico.

Figura 15 – Robô cartesiano (LLL ou PPP)

Robô cilíndrico

Este braço possui na base uma junta prismática, sobre a qual apóia-se uma junta

rotativa (revolvente ou torcional). Uma terceira junta do tipo prismática é conectada na

junta rotativa formando uma configuração LVL. Este braço apresenta um volume de

trabalho cilíndrico, e pode-se apresentar também na configuração TLL.

Figura 16 – Robô cilíndrico (LVL ou TLL ou RPP)

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Robô esférico ou polar

Este tipo de braço robótico foi projetado para suportar grandes cargas e ter grande

alcance. É bastante utilizado para carga e descarga de máquinas, embora o braço

revoluto seja mais comum nestas aplicações. Ele conta com duas juntas rotativas

seguidas de uma junta prismática. A primeira junta move o braço ao redor de um eixo

vertical, enquanto que a segunda junta gira o conjunto ao redor de um eixo horizontal.

O volume de trabalho é um setor esférico, de onde este manipulador obteve seu

nome. A denominação “polar” deve-se às coordenadas polares de sistemas de eixos

cartesianos, caracterizadas por duas coordenadas angulares (juntas rotativas) e uma

coordenada radial (junta prismática). Este tipo de braço está em desuso, sendo

substituídos pelos braços revolutos.

Figura 17 – Robô esférico ou Polar (TTL ou RRP)

Robô SCARA ou Horizontal

Este é também um braço bastante utilizado, pois é compacto, tem grande precisão e

repetibilidade, embora com um alcance limitado. Estas características o tornam

próprios para trabalhos em montagem mecânica ou eletrônica que exigem alta

precisão. Possui duas juntas rotativas e uma junta linear, que atua sempre na vertical.

O volume de trabalho deste braço é cilíndrico, porém, como utiliza juntas rotativas, é

também considerado articulado. O nome é um acrônimo de Selective Compliance

Assembly Robot Arm, ou Braço Robótico de Montagem com Complacência Seletiva.

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Figura 18 – Robô SCARA ou Horizontal (TTL ou RRP)

Robô articulado ou revoluto ( Vertical / Angular / Antropomórfico)

Estes tipos de robôs (Groover, 1988, Adade Filho, 1992), possuem 3 juntas rotativas.

Eles são os mais usados nas indústrias, por terem uma configuração semelhante ao

do braço humano, (braço, antebraço e pulso). O pulso é unido à extremidade do

antebraço, o que propiciam juntas adicionais para orientação do órgão terminal. Este

modelo de configuração é o mais versátil dos manipuladores, pois assegura maiores

movimentos dentro de um espaço compacto. Os braços revolutos podem ser de dois

tipos: cadeia aberta ou cadeia parcialmente fechada. Nos primeiros pode-se distinguir

facilmente a sequência natural formada por elo-junta, da base até o punho. Nos braços

de cadeia parcialmente fechada o atuador da terceira junta efetua o movimento desta

por meio de elos e articulações não motorizadas adicionais.

Figura 19 – Robô articulado ou revoluto (TTT ou RRR)

Órgão terminal

Na robótica, órgão terminal (Groover, 1988) é usado para descrever a mão ou

ferramenta que está conectada ao pulso, como por exemplo, uma pistola de solda,

garras, pulverizadores de tintas, entre outros. O órgão terminal é o responsável por

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realizar a manipulação de objetos em diferentes tamanhos, formas e materiais, porém

esta manipulação depende da aplicação ao qual se destina.

Também chamado de atuador (end effector) é todo um sistema montado na

extremidade do vínculo mais distante da base do robô, cuja tarefa é agarrar objetos,

ferramentas e\ou transferi-las de um lugar para outro. O atuador é de extrema

importância na execução de uma tarefa, portanto é necessário que o mesmo seja

adequadamente projetado e adaptado as condições do seu meio e área de trabalho.

É válido ressaltar que os órgãos terminais requerem cuidados ao serem projetados,

pois é necessário controlar a força que está sendo aplicada num objeto. Para isso,

alguns órgãos terminais são dotados de sensores que fornecem informações sobre os

objetos.

Existe uma grande variedade de modelos de garras que podem ser utilizadas em

diversas aplicações, como por exemplos:

Garra de dois dedos;

Garra para objetos cilíndricos;

Garra articulada.

Tipos de terminais

A garra é comparável à mão humana. No entanto, ela não é capaz de simular seus

movimentos, resultando na limitação dos movimentos a uma faixa de operações. A

grande demanda tem levado ao desenvolvimento de garras que podem manusear

objetos de diferentes tamanhos, formas e materiais. Estas garras são divididas em

vários tipos de classe:

• Garra de dois dedos;

• Garra de três dedos;

• Garra para objetos cilíndricos;

• Garra para objetos frágeis;

• Garra articulada;

• Garra a vácuo e /ou eletromagnética,

• Adaptador automático de garras.

A garra de dois dedos é um modelo simples e com movimentos paralelos ou

rotacionais. Este modelo de garra proporciona pouca versatilidade na manipulação dos

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Garra de dois dedos

Garra de Três dedos

Garra para objetos cilíndricos

Garra para objetos frágeis

Garra articulada Garra a vácuo ou eletromagnético

objetos, pois existe limitação na abertura dos dedos. Desta forma a dimensão dos

objetos não pode exceder esta abertura.

A garra de objetos cilíndricos, também consiste de dois dedos com semicírculos, os

quais permitem segurar objetos cilíndricos de diversos diâmetros diferentes.

Figura 20 – Garras

Agarra articulada tem a forma mais similar à mão humana, a qual proporciona uma

versatilidade considerável para manipular objetos de formas irregulares e tamanhos

diferentes. Esta característica está relacionada com a quantidade de elos. Estes elos

são movimentados por cabos ou músculos artificiais, entre outros.

Sensores

Sensores são dispositivos cuja finalidade é obter informações sobre o ambiente em

que se encontram, e são utilizados como componentes do sistema de controle de

realimentação do robô. Há diversos tipos de sensores que podem ser classificados de

acordo com os princípios físicos sobre os quais eles estão baseados.

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Sensor de posição

O sensor de posição determina as posições dos elos ou de elementos externos,

informando ao sistema de controle que, então, executa as decisões apropriadas para o

funcionamento. Um tipo de sensor de posição, por exemplo, é o “encoder” que tem

como propriedade informar a posição por meio de contagem de pulsos. Neste caso,

tem-se uma fonte de luz, um receptor e um disco perfurado, que irá modular a

recepção da luz ao girar. Este disco está preso a uma junta, de forma a criar um

movimento rotacional, enquanto que a fonte de luz e o receptor estão fixos. A rotação

do disco cria uma série de pulsos pela interrupção ou não da luz recebida pelo

detector. Estes pulsos de luz são transformados pelo detector em uma série de pulsos

elétricos. Os “encoders” podem ser classificados em absoluto e incremental.

Sensor de toque

O sensor de toque fornece um sinal binário de saída que indica se houve ou não

contato com o objeto. Um dos modelos mais simples é feito com duas chapas de metal

que devem ser tocadas ao mesmo tempo pelos dedos de uma pessoa. A resistência

dos dedos é suficiente para acionar um circuito sensível.

Sensor de pressão

O sensor de pressão é uma estrutura mecânica planejada a deformar-se dentro de

certos limites. Um modelo simples deste tipo de sensor pode ser feito com material de

esponja condutora, pois ela tem uma resistividade elevada que se altera quando

deformada.

Outro modelo mais sofisticado e versátil é o strain-gage, que é, na sua forma mais

completa, um resistor elétrico composto de uma finíssima camada de material

condutor. As tensões mecânicas são proporcionais às deformações medidas pelo

sensor.

Sistemas de acionamento

Os acionadores (Groover, 1988) são dispositivos responsáveis pelo movimento das

articulações e do desempenho dinâmico do robô. Esses dispositivos podem ser

elétricos, hidráulicos ou pneumáticos, cada um com suas características.

Driver’s é o dispositivo ligado direto ou indiretamente na junta do robô para

proporcionar movimento ao mesmo.

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Existem vários tipos de Driver's que são classificados genericamente como:

a) pela forma de movimento – Driver’s de Rotação e de Deslizamento.

b) pela forma de acionamento – Driver’s Elétrico, Hidráulico, Pneumático

c) pela forma de conexão – Driver’s Direto e Indireto

Classificação pela forma movimento: Drivers de rotação e de deslizamento

Driver’s de rotação - consiste em um motor, que quando conectado à sua fonte de

energia, o eixo do motor responde em um movimento de rotação.

Driver’s deslizante - consiste em um cilindro hidráulico ou pneumático. O movimento

linear também pode ser produzido por um movimento rotativo usando correias ou

hastes empurradas pelo motor, fazendo uma conversão de movimento rotativo em

linear.

Acionadores hidráulicos

Os principais componentes deste sistema são: motor, cilindro, bomba de óleo, válvula

e tanque de óleo. O motor é responsável pelo fluxo de óleo no cilindro em direção ao

pistão que movimenta a junta. Assim, este tipo de acionador é geralmente associado a

robôs de maior porte, quando comparados aos acionadores pneumáticos e elétricos.

Entretanto a precisão em relação aos acionadores elétricos é menor.

Existem diversos tipos diferentes de motores hidráulicos, como motor de palheta, de

engrenagem, de lóbulos, etc., e todos eles apresentam características de alto torque

específico, ou seja, torque elevado com massa e volume reduzidos. São, portanto,

apropriados para braços que manipulam grandes cargas. Em contrapartida, a

exigência de elementos de controle e pressurização do fluido hidráulico faz com que o

custo destes sistemas seja elevado, tornando-se vantajoso apenas em braços de

grande porte. Apresentam, adicionalmente, problemas de manutenção, já que podem

ocorrer vazamentos do fluído e desgaste na bomba e motores.

Deve ser mencionado, finalmente, que atuadores hidráulicos lineares são mais

compactos e robustos do que seus equivalentes elétricos ou mesmo pneumáticos, e

com isso são indicados para uso em robôs do tipo pórtico ou esféricos, que utilizam

juntas prismáticas.

Acionadores elétricos

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Geralmente robôs de tamanho pequeno a médio utilizam acionadores elétricos. Os

acionadores elétricos mais comuns em uso nos robôs são: motor de corrente contínua

ou DC, servo-motor e motor de passo. Esses tipos de acionadores não propiciam

muita velocidade ou potência, quando comparados com acionadores hidráulicos,

porém atingem maior precisão. Em geral são dotados de redutores para reduzir a

velocidade e aumentar o torque.

Acionamentos elétricos podem ser utilizados em juntas prismáticas, com a

transformação do movimento rotativo do motor em movimento linear por meio de um

fuso. Motores elétricos lineares não são utilizados, pois produzem forças de pequena

intensidade.

O custo do acionamento elétrico cresce com o torque necessário para acionar o braço

mecânico, já o tamanho do motor é praticamente proporcional ao conjugado

produzido. Por outro lado, a simples redução da velocidade, por meio de redutor,

embora propicie maior precisão e maior torque, reduz significativamente a

produtividade. Maior torque significa maior velocidade ou maior carga, e ambos são

desejáveis. O custo de acionadores hidráulicos cresce também com a demanda de

torque, porém de forma mais lenta, já que tais motores tendem a ser mais compactos.

Adicionalmente o custo dos equipamentos de condicionamento e controle do fluido

hidráulico é alto e pouco influenciado pela escala. Isto que o acionamento elétrico é

mais vantajoso economicamente em braços de pequeno e médio porte, ao passo que

o acionamento hidráulico é melhor quando se trata de gerar grandes potências e

cargas.

Gráfico 1 – Custo dos drivers de acionamento por capacidade de carga

Servo Motores Servo-motores são compostos por motores DC e um redutor de velocidades, junto

com um sensor de posição e um sistema de controle realimentado. Em outras

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palavras, os servo-motores podem ser considerados como sendo motores

comandados em posição (angular ou linear), já que, do ponto de vista de quem os

utiliza, o controle interno em malha fechada é irrelevante. Os servo-motores são

pequenos, com ampla variação de torques. O mecanismo de posicionamento ajusta a

posição angular por meio de um sinal codificado que lhe é enviado. Enquanto esse

código estiver na entrada, o servo irá manter a sua posição angular. Em geral o sinal é

do tipo PWM (Pulse Width Modulation), ou seja, a posição angular irá depender da

largura do pulso enviado.

Motor de passo

Os motores de passo são usados em aplicações de serviço relativamente leves e

algumas das suas características de desempenho são apresentadas a seguir:

• Rotação em sentido horário e anti-horário;

• Variações incrementais de precisão angular;

• Repetição de movimentos bastante exatos;

• Baixo torque;

• Um torque de sustentação à velocidade zero;

• Possibilidade de controle digital.

Os motores de passo podem ser bipolares ou unipolares. Em ambos os casos as

fontes utilizadas são de tensão contínua e requerem um circuito digital que produza as

sequências de sinais para que o motor funcione corretamente.

A forma com que o motor irá operar dependerá bastante do que se deseja controlar.

Existem casos em que o torque é mais importante, em outras a precisão ou mesmo a

velocidade são mais relevantes. Ao trabalhar com motores de passo, precisa-se de

algumas características de funcionamento, como a tensão de alimentação, a máxima

corrente elétrica suportada nas bobinas, o grau (precisão), o torque. Motores de passo

podem ser acionados de diversas formas. As duas formas mais comuns são: passo

completo e meio passo.

Figura 21 – Motor de passo

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No modo de operação em passo completo pode-se acionar apenas uma ou duas

bobinas a cada passo. No primeiro caso apenas uma bobina é energizada a cada

passo, o torque gerado é menor, assim como o consumo.

A Tabela 1 mostra a sequência dos passos em sentido horário e o acionamento das

bobinas num motor acionado em passo completo com apenas uma bobina energizada.

Nº do

passo

Bobinas

B3 B2 B1 B0 Decimal

1 1 0 0 0 8

2 0 1 0 0 4

3 0 0 1 0 2

4 0 0 0 1 1

Tabela 1- Passo completo com uma bobina energizada em rotação com sentido horário. No caso de modo completo com duas bobinas energizadas, tem-se um maior torque, e um consumo maior do que no caso anterior. A velocidade costuma ser maior do que

nas demais formas, mas a velocidade máxima de um motor de passo e altamente

dependente da eletrônica e da estratégia de controle.

A Tabela 2 mostra a sequencia dos passos em sentido horário e o acionamento das

bobinas.

Tabela 2 - Passo completo com duas bobinas em rotação no sentido horário

Por outro lado, no modo de operação em meio passo combinam-se as duas

estratégias anteriores, obtendo-se com isso um efeito de meio passo a cada mudança

no acionamento das bobinas. Este modo consome mais energia que os dois

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anteriores, mas atinge maior precisão em virtude do menor passo. O torque gerado e

próximo ao do acionamento completo com duas bobinas, mas a velocidade costuma

ser menor.

A Tabela 3 mostra a sequencia dos passos em sentido horário e o acionamento das

bobinas com sequencia de meio passo.

Tabela 3 - Meio passo em sentido horário

Para mudar a direção de rotação do motor nos dois modos de acionamento, basta

inverter a sequencia dos passos.

Acionadores pneumáticos

Os acionadores pneumáticos são semelhantes aos acionadores hidráulicos, porem a

diferença e a utilização de ar ao invés de óleo. Entretanto o ar e altamente

compressível, o que causa uma baixa precisa o e forca, mas estes acionadores

possuem alta velocidade.

Acionadores pneumáticos lineares (cilindros) requerem sistemas sofisticados e

complexos para controlarem a posição em pontos ao longo do curso. Justamente por

isso, são pouco utilizados em aplicações que tenham tal necessidade. Porem, diversas

tarefas de produção podem ser automatizadas com atuadores pneumáticos lineares

trabalhando entre os extremos de posição, ou seja, totalmente recolhido ou totalmente

estendido, que apresentam boa repetitividade. Estas tarefas em geral são simples,

consistindo de movimentação de material, fixação de pecas e separação de objetos,

chamadas genericamente de operações “pega-e-põe”.

O baixo custo dos acionadores pneumáticos e da geração de ar-comprimido faz com

que a automação pneumática seja a mais adequada se o trabalho a ser realizado for

26

simples. Pode-se utilizar o acionamento pneumático em juntas rotativas de forma

direta (acionadores rotativos) ou com redutores (motores pneumáticos de lóbulos ou

palhetas). Tais aplicações são, contudo, muito especificas e indicadas apenas quando

houver restrições quanto ao acionamento elétrico ou hidráulico.

A programação de sistemas pneumáticos pode ser realizada com controladores

lógicos programáveis (PLC), ou mesmo por chaves distribuidoras e chaves fim-de-

curso. Este tipo de programação permite certa flexibilidade na sequencia de

acionamentos, porem e bastante limitada no que se refere a mudanças na forma e no

tipo de tarefa executada. Pode-se dizer, portanto, que sistemas pneumáticos estão

mais próximos de uma automação fixa do que da automação programável.

Métodos de acionamento

Os acionadores elétricos (Groover, 1988) tendem a ser maiores e mais pesados que

acionadores hidráulicos e pneumáticos. Por este motivo, nem sempre e possível

posicionar tais atuadores próximos as respectivas juntas, em virtude de restrições no

espaço disponível ou de problemas com deflexões devido ao peso. Assim sendo, os

acionadores podem ser acoplados de forma direta ou indireta.

Acionamento indireto

Uma vez que os atuadores das juntas são pesados, os fabricantes tentam introduzir

alterações no projeto que permitam redução do peso nas juntas próximas ao pulso e

transferir este peso, quando possível, para a base. Desta forma consegue-se uma

capacidade de carga maior para o braço. Este tipo de acionamento e denominado

indireto, já que o atuador fica afastado da junta movida por ele.

Neste tipo de acionamento, e necessário usar algum tipo de transmissão de potencia,

como polias, correntes, rodas dentadas, engrenagens, parafusos e correias, ou seja, o

acionador e adaptado longe da junta pretendida do manipulador. Entretanto este

método sofre efeitos indesejados no desempenho do robô, devido a folga nas

engrenagens, flexão dos vínculos do manipulador, escorregamento dos sistemas de

polias.

Acionamento direto

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Neste método, o acionador e adaptado diretamente na junta, o que, em determinados

casos, proporciona melhor precisão e rendimento de potencia em relação ao

acionamento indireto. Contudo, devido ao baixo torque por unidade de peso alcançado

pelos motores elétricos, costuma-se utiliza-los em conjunto com redutores de

engrenagens, que aumentam o torque, porem reduzem a velocidade. Neste caso, se o

acionador estiver fixado no elo motor, o acionamento e considerado direto. Nas juntas

rotativas com acionamento direto, o sensor de 33 posição angular (“encoder”) fornece

o angulo relativo entre o elo motor e o elo movido. No acionamento indireto esta leitura

fornece o angulo do elo movido em relação a um outro elo, anterior ao elo motor.

Volume de trabalho

O volume de trabalho (Groover, 1988) e o termo que se refere ao espaço que um

determinado braço consegue posicionar seu pulso. Este volume, em geral, e

estabelecido conforme os limites impostos pelo projeto estrutural do braço, ou seja, a

configuração física do braço robótico, os limites dos movimentos das juntas e o

tamanho dos componentes do corpo, braço e pulso. Por exemplo, o volume de

trabalho de um braço esférico (TRL) seria, teoricamente, o volume da esfera cujo raio

e o comprimento do braço esticado. Braços robóticos possuem volumes que

dependem, e claro, da geometria e dos limites impostos ao movimento por motivos

estruturais ou de controle. Na maior parte deles, o volume e altamente dependente de

detalhes construtivos e raramente aparenta ou aproxima-se do volume teórico. Por

exemplo, o volume de um manipulador cilíndrico deveria ser um cilindro, mas em geral

não e. Em resumo, o volume de trabalho de um manipulador depende, basicamente,

da configuração do braço, dos comprimentos dos elos (braço e punho) e de limites e

restrições construtivas a movimentação das juntas.

Figura 22 – Manipulador cilíndrico

Construção dos vínculos

28

Um importante fator na construção dos vínculos é a carga que o mesmo suporta, o

peso do próprio braço e o grau de rigidez do mesmo. Um braço pesado necessita de

um motor maior, tornando o custo do robô mais elevado. Um braço de baixa rigidez

reduz a precisão do robô devido às vibrações e resposta à tensão. Para aumentar a

rigidez mecânica do braço sem aumentar seu peso, frequentemente usa-se uma

estrutura oca. A utilização deste tipo de estrutura tem uma melhor dureza quando

comparada com uma construção maciça utilizando a mesma massa de material.

Figura 21 – Tipos de vínculos

Sistema de Controle

Controlador é a parte do robô que opera o braço mecânico e mantém contato com

seu ambiente. O dispositivo em si é composto por hardware e software, combinados

para possibilitar ao robô executar suas tarefas.

Níveis de Controle do robô

O controle do robô pode ser dividido em três níveis que constituem a hierarquia de

controle.

Os níveis são:

• Controle do acionador: ou controle de cada eixo do robô separadamente. Nível

mais baixo.

• Controle da trajetória: ou controle do braço do robô com coordenação entre os

eixos para percorrer a trajetória especificada. Nível intermediário.

29

• Controle de coordenação com o ambiente: é o controle do braço em

coordenação com o ambiente. Nível mais alto.

•

ACIONADORES

São unidades que provocam o movimento dos eixos do robô. Cada eixo de

movimento inclui, pelo menos, uma articulação, um vínculo e um acionador. Em

alguns robôs, os eixos incluem dispositivos de transferência de movimento assim

como unidades para identificar a posição relativa dos vínculos. Um eixo que contém

tais unidades possui controle de malha fechada.

Os sinais de controle provêm de um computador (quando se fala em computador,

deve-se ter em mente que pode ser também um microcontrolador, ou um

microprocessador) é digital, então deve passar por um conversor digital/analógico.

Mas isso ainda não é suficiente, pois a potência necessária para operar a unidade

acionadora é relativamente alta, então se usa um amplificador.

Figura 23 – Acionadores

CONTROLE DE TRAJETÓRIA

Cada tarefa executada por um robô pode ser considerada como uma série de

operações, através das quais o atuador é movido pelo braço do robô entre dados

pontos e operado como programado nesses pontos.

O controle de trajetória pode ser dividido em dois métodos: controle ponto a ponto e

controle contínuo.

Controle Ponto a ponto: é definida uma coleção de pontos para o robô. Então

construímos a série e guardamos na memória do controlador. Quando rodamos a

série, o braço do robô vai se mover pelos vários pontos, de acordo com a ordem dos

passos na série. Em cada passo o robô sabe para onde ir, mas não conhece a

trajetória que traçará para chegar a certo ponto.

30

O sistema de controle de qualquer robô e realizado por meio de um sistema de

“software” e “hardware”. Este sistema processa os sinais de entrada e converte estes

sinais em uma ação ao qual foi programado.

O software pode ser desenvolvido em um computador pessoal ou num micro

controlador. Neste aspecto, deve-se levar em consideração os pontos fortes e fracos

de cada possibilidade. O microcontrolador reduz o custo do projeto, e rápido, dedica-

se apenas ao controle do robô, porem possui limitações em relação ao tamanho do

software. Já o computador pessoal possui alta taxa de processamento e maior espaço

para a alocação do software. Pode-se ainda aplicar uma solução mista, em que a

parte mais leve do software fica no micro controlador e a parte de maior

processamento fica no computador pessoal.

O sistema de hardware pode constituir, por exemplo, de motores de passos, cabos,

dispositivo de entrada, sensores e amplificadores de potencia. Um dos fatores mais

importantes e a utilização de sensores (Bolton, 1995), pois podem ser dispositivos de

um sistema de malha fechada, ou seja, consiste em verificar o estado atual do

dispositivo a ser controlado e comparar essa medida com um valor pré-definido. Esta

comparação resultara num erro, ao qual o sistema de controle fara os ajustes

necessários para que o erro seja reduzido a zero. Um esquema simples de malha

fechada e apresentado em diagrama de blocos.

Figura 24 – Sistema de malha fechada

CONTROLE DE COORDENAÇÃO COM O AMBIENTE

O movimento de um braço de robô é baseado em movimento coordenado de todos

seus acionadores. As condições em que esses acionadores trabalham são diferentes.

Diferem na carga, no momento de inércia e na velocidade, por exemplo. Portanto,

31

essas condições variáveis podem exigir um diferente planejamento de controle para

cada malha de controle.

Em robôs modernos, cada malha de controle do acionador é controlada por um

microcomputador. Se quisermos que o atuador se mova até determinado ponto,

podemos ditar as coordenadas daquele ponto para o computador controlador que irá

coordenar os movimentos das várias articulações. O operador não precisa se

preocupar com o controle de cada eixo separadamente nem coordenar o movimento

dos vários eixos, isso é função do computador controlador.

Uma das principais diferenças entre controladores relaciona-se com o momento em

que a trajetória de movimento é calculada, e com a habilidade de realizar mudanças

na trajetória enquanto o braço está em movimento. Existem dois tipos de controle:

programação off-line e programação e controle em tempo real.

PROGRAMAÇÃO OFF-LINE

Neste modo, o controlador do robô guarda a trajetória de movimento em sua memória

como uma série de pontos e os correspondentes movimentos das várias articulações.

Enquanto o programa está sendo executado, o controlador não realiza cálculos de

trajetória. Ao invés disso, o controlador simplesmente lê os comandos de movimento

da memória que já foram previamente processados. Portanto, neste método não

podem ser usadas séries em que ocorrem mudanças durante a execução do

programa, tais como as que envolvem o uso de sensores. Programação off-line não

necessita de computadores rápidos e complexos, por isso é menos dispendiosa do

que controle em tempo real.

PROGRAMAÇÃO E CONTROLE EM TEMPO REAL

Neste modo, o controlador recebe instruções gerais sobre a trajetória de movimento.

Enquanto o braço está se movendo, o controlador deve calcular a extensão do

movimento das vária articulações a fim de se mover pela trajetória desejada. As

informações recebidas dos sensores sobre mudanças no ambiente do robô enquanto

o braço se move são processadas pelo controlador em tempo real.

Controle em tempo real é preferível a programação off-line, por ser mais flexível na

sua habilidade de mudar o curso de ação enquanto uma tarefa está sendo

executada. Esta flexibilidade exige um controlador mais complexo, incluindo um

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computador rápido o suficiente para processar a informação sem diminuir a

velocidade de operação do robô.

MÉTODOS PARA TREINAR O ROBÔ

Os atuais métodos para treinar o robô podem ser divididos em dois grupos: métodos

de ensino e métodos de programação.

Os métodos de ensino há um movimento físico do braço do robô numa série de

pontos de uma a outra posição. Dentro dos métodos de ensino podem-se ter

variações como o método de ensino por meio de chaves (teach in), ensino manual

(teach-through), e ensino por sensores.

Nos métodos de programação determina-se uma série de pontos que o braço deverá

percorrer, sem que o mesmo se mova fisicamente durante a programação. Nestes

métodos de programação, caso em que não se utiliza o acionamento de sensores

físicos ou atuadores, pode-se trabalhar com: definições de coordenadas,

deslocamento do sistema de coordenadas, uso de sensores de visão e apontadores

e modelagem de mundo (world modeling).

Figura 25 – Controle remoto e pendulo

ENSINO MANUAL (TEACH-THROUGH) DIRETO.

Neste método, o robô é movido manualmente ao longo da trajetória desejada, e o

controlador grava a posição das juntas por amostras (sampling) ou toma a leitura em

33

um intervalo de tempo fixo; sendo que seus motores devem estar inoperantes. Este

método tem duas limitações:

• O operador tem de vencer o peso do robô e o atrito nas juntas e engrenagens,

tornando inaplicável para robôs de grande e médio porte; onde é requerida precisão.

• O controlador necessita de uma memória muito grande para armazenar a

informação amostrada a uma taxa de 10 vezes por segundo, comprometendo a

precisão do processo. Para amenizar o problema de peso do robô pode-se utilizar

uma unidade de balanço, a qual suporta o peso estático do braço.

Figura 26 – Ensino Manual

ENSINO MANUAL (TEACH-THROUGH) USANDO UM SENSOR DE FORÇA

Este método é semelhante ao anterior, porém utiliza o auxílio de um sensor de força

ligado ao atuador. Quando o operador move o braço (robô) é exercida uma força no

atuador, o sensor converte a força em sinais elétricos, que ativam os motores do robô

na direção fixada. A vantagem deste método sobre o anterior é que o operador não

necessita de um grande esforço para mover o robô, podendo obter um alto grau de

precisão; entretanto ainda é restrito a modelos experimentais

34

ENSINO POR MEIO DE SENSORES.

Neste método os sensores auxiliam o operador no direcionamento do robô ao longo

da trajetória através de transmissão de informações ao controlador. Com isso torna-

se mais caro que os outros métodos uma vez que utiliza equipamentos mais

sofisticados. Contudo os sensores são utilizados somente durante o processo de

aprendizagem, uma vez que na execução da tarefa não serão afetados pela

interferência do robô. Com a utilização dos sensores há uma diminuição do tempo e

da força necessária para ensinar o robô a realizar as tarefas.

Dinâmica do braço robótico

O desempenho dinâmico do braço robótico (Groover, 1988) esta associado a

velocidade de resposta, estabilidade e precisão. A velocidade de resposta refere-se a

destreza do braço robótico ao mover-se de um lugar para outro num curto período de

tempo. Desta forma, o torque existente em cada junta do braço e a aceleração em

cada elo devem ser analisadas. Já a estabilidade pode ser estimada com base no

tempo necessário para amortecer as oscilações que ocorrem durante o movimento de

uma posição para a outra. Se a estabilidade for baixa pode-se aplicar elementos de

amortecimento no braço, que melhoram a estabilidade, mas influem na velocidade de

resposta.

A precisão esta relacionada com a velocidade e estabilidade, pois e uma medida de

erro na posição do órgão terminal.

Precisão dos movimentos

A precisão de movimento esta intrinsecamente correlacionada com três

características, como segue:

• Resolução espacial

• Precisão

• Repetitividade.

A resolução espacial depende diretamente do controle de sistema e das inexatidões

mecânicas do braço robótico. O sistema de controle e o responsável por controlar

todos os incrementos individuais das articulações. Já as inexatidões relacionam-se

com a qualidade dos componentes que formam as uniões entre as articulações, como

35

as folgas nas engrenagens, tensões nas polias, e histereses mecânicas e magnéticas,

entre outros fatores.

A precisão esta relacionada com a capacidade de um braço posicionar o seu pulso em

um ponto marcado dentro do volume de trabalho. A precisão relaciona-se com a

resolução espacial, pois a precisão depende dos incrementos que as juntas podem

realizar para se movimentar e atingir um ponto determinado.

Por fim, a repetitividade esta relacionada com a capacidade do braço robótico de

posicionar repetidamente seu pulso num ponto determinado. Estes movimentos

podem sofrer influencias de folgas mecânicas, da flexibilidade e das limitações do

sistema de controle.

Segurança com robôs industriais

A presença de robôs no ambiente industrial pode provocar riscos à segurança dos

operários não familiarizados, sendo estes mais rápidos que outras máquinas.

A segurança humana em ambientes de robôs industriais, Colisões com robôs em

movimento ou suas ferramentas podem causar ferimentos graves ao ser humano,

devendo ser adotadas precauções tais como:

• Primeiramente, verifique se não este energizado, conferindo se esta realmente

bloqueada a chave de energia.

• Não ultrapasse o isolamento ao redor de um robô em movimento;

• Prestar atenção na sinalização local;

• Não colocar as mãos na parte interna da garra do robô;

• Tomar cuidado ao tocar o controlador do robô e seu sistema de energia.

• Utilize as EPIs e ferramentas adequadas para realizar manutenções.

• Não submeta o robô a cargas maiores que o suportado.

• Verifique o tamanho da peça que será movida e sua relação com o isolamento

para não atingir outra pessoa ou equipamento.

• Ao voltar à energia removendo o bloqueio de força, certifique-se que não

possuem operadores dentro da área de segurança de trabalho do robô.

O isolamento de robôs para pessoas não autorizadas é adequado, e normalmente

utilizam-se mecanismos que interrompem o funcionamento do robô instantaneamente

caso a área de segurança seja invadida.

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6. BIBLIOGRAFIA

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Programação. McGraw-Hill, Sao Paulo, 1989. (Edicao esgotada). (1)*

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Manipuladores Roboticos. Apostila publicada pelo ITA-CTA. Sao Jose dos Campos,

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Programming, and Applications. McGraw-Hill Higher Education, 1986.

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